4平面连杆机构及其设计

连杆机构及其特点平面连杆机构的类型及应用平面连杆机构的基本知识平面四杆机构的设计本章教学内容本章教学要求◆了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点;◆了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用；◆明确四杆机构曲柄存在条件和机构急回运动及行程速比系数等概念；◆对传动角、死点、运动连续性等有明确的概念；◆了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。重点：1.曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数；2.平面四杆机构设计的一些基本方法。难点：1.平面四杆机构最小传动角的确定；2.平面铰链四杆机构运动连续性的判断；3.根据已知条件设计平面四杆机构。第八章平面连杆机构及其设计§8-1连杆机构及其传动特点一.连杆机构共同特点——原动件通过不与机架相连的中间构件传递到从动件上。连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。不与机架相连的中间构件——连杆（Linkage）具有连杆的机构——连杆机构连杆机构根据各构件间的相对运动是平面还是空间运动分为空间连杆机构平面连杆机构优点：①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；②运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造；③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；④可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。缺点：①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；③设计方法比较复杂。二、连杆机构的特点§8-2平面四杆机构的类型和应用四杆机构各部分的名称：构件机架相对固定连架杆曲柄摇杆整周回转往复摆动连杆平面运动转动副整周回转往复摆动周转副摆转副机构命名：原动件名+输出构件名（也可以几何特点命名）一、全转动副四杆机构（铰链四杆机构）——基本型式1.曲柄摇杆机构(Crank-RockerMechanism)铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。功能：连续转动往复摆动ABCD3214应用实例：飞机起落架机构缝纫机脚踏板机构雷达天线俯仰机构抽油机机构应用实例：搅拌机构拉胶片机构剪板机碎石机2.双曲柄机构(Double-CrankMechanism)——两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构ABCD3214功能：连续转动连续转动平行四边形机构特性：▲两曲柄同速同向转动▲连杆作平动特例：若机构中相对两杆平行且相等，则成为平面四边形机构。应用实例：惯性筛机构机车车轮联动机构应用实例升降机构播种机料斗机构升降车台灯伸展机构车门开闭机构应用实例——逆平行（反平行）四边形机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）3.双摇杆机构(Double-RockerMechanism)——两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构ABCD3214功能：往复摆动往复摆动特例：等腰梯形机构——两摇杆长度相等的双摇杆机构汽车前轮转向机构应用实例：飞机起落架机构图-22M重型轰炸机前起落架鹤式起重机应用实例：推土机铲斗机构电风扇摇头机构低副运动的可逆性：在低副机构中，取不同构件作为机架时，任意两个构件间的相对运动关系不变。构件2为机架——曲柄摇杆机构构件4为机架——曲柄摇杆机构ABCD3214曲柄摇杆机构构件1为机架——双曲柄机构ABCD3214双曲柄机构构件3为机架——双摇杆机构ABCD3214双摇杆机构二、含有一个移动副的四杆机构——演化型式I变摇杆为滑块曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲线导轨曲柄滑块机构摇杆尺寸为无穷大e=01.曲柄滑块机构(Slider-CrankMechanism)ABC3214对心(radial)曲柄滑块机构ABC3214偏置(offset)曲柄滑块机构功能：连续转动往复移动应用实例：压力机雨伞发动机车门开闭机构ABC3汽缸2车门14应用实例：空气压缩机应用实例：送料装置筛分机2.导杆机构(Crank-ShaperMechanism)ABC3214导杆★摆动导杆机构——导杆只能在一定的角度内摆动★回转导杆机构——导杆能作整周转动功能连续转动往复摆动连续转动连续转动应用实例回转柱塞泵早期的飞机发动机牛头刨床3.曲柄摇块机构(Rock-SliderMechanism)ABC3214摇块功能：连续转动往复摆动应用实例自卸车4.直动导杆机构(Fixed-SliderMechanism)ABC3214直动导杆定块功能：往复摆动往复移动应用实例手动抽水机炉门送料装置ABC3214三、含有两个移动副的四杆机构——演化型式II对心曲柄滑块机构变连杆为滑块正弦机构双滑块机构从动件3的位移与原动件1的转角成正比：sinABls移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来连杆尺寸为无穷大1.正弦机构AB123AB123从动件3的位移与原动件1的转角成正比sinABls应用实例压缩机缝纫机进针机构2.双滑块机构AB123AB123AB123(x,y)222)()(atgxyctgyx1sincos22ayax应用实例椭圆仪3.双转块机构AB123AB123AB123应用实例十字滑块联轴器小结平面四杆机构的演化方式1、改变构件的形状和相对尺寸：转动副移动副对心曲柄滑块机构变连杆为滑块双滑块机构ABC3214摇块ABC3214导杆偏心轮机构曲柄滑块机构2、改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮ADCB2143ADCB12344A1B2D3C扩大转动副B的半径超过曲柄长转动副B的半径扩大超过曲柄长3、选用不同构件为机架——倒置法机构的倒置：选运动链中不同的构件作机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。ABC3214曲柄滑块机构ABC3214导杆导杆机构ABC3214摇块曲柄摇块机构§8-3有关平面四杆机构的基本性质运动特性1.曲柄存在条件2.急回特性3.运动连续性动力特性1.压力角、传动角2.死点一、铰链四杆机构曲柄存在的条件——Grashoff定理曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构ABCDabcdB1C1EFB2C2EF若使AB能够整周回转，必须使得以圆上任一点为中心，以杆长b为半径所形成的圆与圆有交点，即：BEbBFFBbEBminmax亦即：FBbEB21B1、B2点为形成周转副的关键点。EBEB1maxFBFB2minABCDabcdB1C1B2C2在△B1C1D中a+db+c(1)在△B2C2D中bcadcbad若：da，则有：a+cd+b(2)a+bd+c(3)若：ad，则有：c+da+b(4)b+da+c(5)(1)+(2)ab(1)+(3)ac且有：ada=lmin为最短杆。(1)+(4)db(1)+(5)dc且有：dad=lmin为最短杆。◆周转副的条件：1)任意三杆长度之和第四杆长；l1+l2+l3l42)最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和——杆长条件lmin+lmaxl4+l3最短杆两端的转动副均为周转副；其余转动副为摆转副。3)连架杆或机架中必有一杆是最短杆。◆曲柄存在条件：当铰链四杆机构满足杆长条件时，讨论1）最短杆的邻边杆为机架时ABCD3214——曲柄摇杆机构3）最短杆的对边杆为机架时l1+l2+l3l4?lmin+lmaxl4+l3?Y非机构N有两个周转副Y双摇杆机构Nlmin为机架?lmin邻边为机架?NN小结Y双曲柄机构曲柄摇杆机构Y——双摇杆机构ABCD32142）最短杆为机架时——双曲柄机构（含平行四边形机构）ABCD3214当铰链四杆机构不满足杆长条件时——双摇杆机构（无周转副）erlABCD例：偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件。解1：lmin=r；lmax=CD+eCDleCDrler解2：AD连线为机架方向，故B1、B2为r成为曲柄的关键点，所以erlB1C1B2C2lr+elr-e思考：对心曲柄滑块机构有曲柄的条件？二、急回运动特性(Quickreturnproperty)1.概念极位夹角——当输出构件在两极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角。极位——输出构件的极限位置摆角φ——两极限位置所夹的锐角原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程的平均速度慢于反行程的平均速度的现象——急回运动(Quick-return)2.急回运动急回运动机理急回作用具有方向性,当原动件的回转方向改变时,急回的行程也随之改变。注意！a)曲柄转过1801摇杆上C点摆过：21CC所用时间：1111180tb)曲柄转过1802摇杆上C点摆过：12CC所用时间：1122180t2121ttc)设两过程的平均速度为V1、V2：21221211;tCCVtCCV21tt12VV回程速度大于正行程速度。3.行程速比系数K为表明急回运动程度，用行程速度变化系数K(timeratio)来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度比，即212112122112//tttCCtCCvvK1180180K11180KK或：讨论：1)当θ≠0时，机构具有急回运动特性；2)θK，急回运动特性愈显著。对心曲柄滑块机构0，K=1，无急回运动偏置曲柄滑块机构0，K1，有急回运动例：曲柄滑块机构摆动导杆机构0，K1，有急回运动急回运动特性的应用coscosFFFF三、四杆机构的压力角与传动角1.压力角与传动角压力角(Pressureangle)——不考虑摩擦时，机构输出构件上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。VF,90传动角(Transmissionangle)——压力角的余角coscosFFFF机构常用传动角大小及变化来衡量机构传力性能的好坏。()F机构传动越有利50~40min一般要求：DCBFVCBCDBCD时，当90DBBCDBCD18090时，当CFCv2.最小传动角的位置连接BD，在ABD中：——曲柄摇杆机构ABCDcbadFVCcos2222addaBD在BCD中：cos2222bccbBDbcaddacb2cos2cos2222若此式为极值，则需取极值，即maxminminmaxcos11cos1800故当90o时：=min=min当90o时：min=180o-max结论：当=0o或180o时，有min=min{min，(180o-max)}曲柄与机架共线时，出现最小传动角。vcABC121FF0vB3B1231AC例：标出机构在图示位置的压力角与传动角F3B132Cv四、死点(Deadpoint)——机构传动角γ=0º(α=90º)的位置当机构处于死点位置时，整个机构无法运动，但在外界微小扰动力的作用下，会出现运动不确定现象。以往复运动构件为主动件的机构，通常存在死点。FBVB1C234ABDabcd=90FBVBC1234ABD当输出构件与连杆共线时，机构出现死点。特别注意：机构有无死点与原动件选取有关曲柄滑块机构的死点位置曲柄摇杆机构的死点位置1、死点位置2、机构通过死点采取的措施对于传动机构来讲，死点是不利的，应采取措施使机构能顺利通过死点位置。利用惯性B2C2踏板缝纫机主运动机构脚AB1C1D——缝纫机脚踏板机构使各组机构的死点相互错开排列——机车车轮联动机构3、死点的利用工程实践中，常利用死点来实现特定的工作要求。飞机起落架机构AB1C1DB2C2地面工件夹紧机构注意！机构不能运动的三种情况的区别：——死点、自锁、F